il Progetto PRIMA PRoton IMAging and conformal radiotherapy dosimetry by segmented silicon detectors Proposta di progetto INFN Commissione V

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1 il Progetto PRIMA PRoton IMAging and conformal radiotherapy dosimetry by segmented silicon detectors Proposta di progetto INFN Commissione V Mara Bruzzi INFN and University of Florence Sezioni di Catania, Firenze e LNS

2 Outline - Motivazioni ed obiettivi del progetto - Proton Trasmission Radiography - Attività di ricerca preliminare MOPI - Dosimetro 2D per verifiche pre-trattamento IMRT -Attività di ricerca preliminare - Programma di lavoro - Man Power - Richieste finanziarie

3 Perché PRIMA? Radioterapia Tecniche di irraggiamento complesso per rilasciare alte dosi ai volumi bersaglio, risparmiando gli organi a rischio: Per non vanificare le potenzialità offerte da queste tecniche, l accuratezza deve essere elevata in ogni fase del processo radioterapico: POSIZIONAMENTO DEL PAZIENTE CALCOLO DELLA DISTRIBUZIONE DI DOSE

4 Obiettivi Sviluppo di strumentazione avanzata, basata su rivelatori a silicio segmentato, per le seguenti applicazioni in radioterapia: - Proton Trasmission Radiography. Imaging del tumore mediante fascio radioterapico di protoni utilizzando un telescopio al Si basato su rivelatori microstrip al silicio - 2D dose mapping in IMRT* and proton beams. Mappa della distribuzione di dose per verifiche pretrattamento e in-vivo mediante singoli piani di Si pixels. *Intensity Modulated RadioTherapy

5 I vantaggi dell imaging con protoni Utilizzando i protoni sia per l imaging che per il trattamento si hanno i seguenti vantaggi Diminuzione della incertezza (attualmente 5 10 mm) del range dei protoni nel tessuto e quindi conseguente aumento della accuratezza nel calcolo della dose da parte dei sistemi per la pianificazione del trattamento. Possibilità di verifica del posizionamento del paziente prima di ogni sessione di trattamento. Inferiore dose rilasciata al paziente rispetto alla CT convenzionale Aumento della risoluzione a basso contrasto (possibilità di ottenere immagini della localizzazione dei tumori senza l uso di mezzi di contrasto)

6 Parametri tipici PTR Parametro Energia fascio di protoni Intensità del fascio Risoluzione spaziale Risoluzione in densità elettronica Radiation hardness Valore MeV protoni/sec < 1 mm < 1% > 1000 Gy La buona risoluzione spaziale ed energetica dell intero sistema di PRoton IMAging è ottenuta: (1) misurando la traccia di ciascun protone mediante telescopio al silicio in entrata ed uscita ed energia con calorimetro in uscita (2) Mediante la ricostruzione del cammino più probabile di ciascun protone attraverso il tessuto (Most Likely Path MLP) con metodi di simulazione e opportuno confronto con studi sperimentali

7 Proton Trasmission Radiography: Il Principio Il dispositivo si basa sull idea di misurare singolarmente sia l energia che la direzione di ogni protone incidente.

8 Ricostruzione del cammino più probabile del protone nel tessuto (Most Likely Path MLP) In questo esperimento ci si propone anche di : i) Determinare i MLP con metodo MonteCarlo, utilizzando toolkit GEANT4 ii) Confrontare i risultati del calcolo con i dati ottenuti dal tracciatore per mezzo dei piani mobili inseriti nel fantoccio segmentato

9 Determinazione delle condizioni al contorno L L L A B C (A) Noti posizione e angolo in entrata: Linea retta L (B) Noti posizione e angolo in entrata e posizione in uscita: Linea retta L (C) Noti posizione e angolo in entrata ed in uscita : cammino curvo L

10 Attività di ricerca preliminare svolta in MOPI Collaborazione: INFN Firenze Catania LNS SCIPP UCSC e Loma Linda Univ. Medical Center Test Beam LLUMC - Maggio 2005 I telescopi misurano la posizione del protone in entrata ed uscita su un area di 4cm x 4cm. Il calorimetro (5cmx5cm) misura l energia in uscita. calorimetro Un modulo mobile tra gli assorbitori misura lo spostamento 2-D del fascio in diverse posizioni nell assorbitore segmentato tessuto equivalente (12 lastre PMMA di spessore 1.25cm ) z (mm)

11 Risoluzione del calorimetro CsI(Tl ) Proton energy resolution much better than energy straggling (~1%)

12 Set-up del sistema

13 First Results Correlation between exit displacement and angle Without Absorber Map out Beam Dispersion Limited by Beam Spread With Absorber Angular Spread by multiple scattering ~ 3 Strong correlation between angle and displacement due to multiple scattering

14 First MLP in PMMA absorber Error due beam divergence ~ 5 strips = 340µm Preliminary results show good agreement between experimental and simulated most likely paths. Expected width ( theoretical ) of the banana in the middle of the phantom is 380µm due to multiple scattering: we get 450µm (higher due to beam divergence).

15 Riassunto risultati preliminari test beam I risultati preliminari del test beam mostrano che il metodo di Proton imaging basato sulla misura a singolo evento è fattibile La buona risoluzione garantita dalla tecnologia al silicio permette la progettazione di uno strumento compatto e di dimensioni ridotte I primi risultati mostrano che la localizzazione della posizione nel fantoccio è nell ordine di 500µm I primi confronti con la simulazione sono in atto (GEANT4 and analytical banana ) L analisi dei dati del calorimetro è in corso

16 Dosimetria bidimensionale in trattamenti con protoni e fotoni Obiettivo Sviluppo di un dispositivo per verifiche dosimetriche pre-trattamento di trattamenti radioterapici, dove si richiede una buona risoluzione spaziale e un alta sensitività alla dose assorbita.

17 Nel caso dei fasci di fotoni la conformazione della distribuzione di dose ai volumi da irradiare si può ottenere con tecniche quali la Stereotassi o IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy)

18 Sistemi al silicio attualmente in commercio per la verifica bidimensionale della dose pre-trattamento Rivelatore MapCHECK. Matrice di diodi al Si. 445 pixel su area di 22 cmx 22cm. Nel corso del 2005, nel progetto europeo MAESTRO e nel progetto CONRAD di gruppo V alcuni dei proponenti hanno sviluppato un dosimetro segmentato a macro-pixel con dimensione del pixel e passo tra celle attive di 1-3mm, per applicazioni in IMRT e protoni.

19 Parametri dosimetro 2D Measured sensor sensitivity: pa/(cgy/min) Minimum current: 10 pa Dynamic Range: 3 orders of magnitude For instance: 1 cgy/min - 10 Gy/min Expected sensitivity: 40 pa/(cgy/min) Test sotto fascio IMRT prototipo 16 canali

20 Prototipo su scala ridotta sviluppato all interno di Maestro Sistema a singolo modulo 6x6cm 2 realizzato quest anno dal gruppo del Dipartimento di Fisiopatologia Clinica dell Università di Firenze nell ambito del progetto europeo MAESTRO del VI programma quadro. Prodotto da ITC-IRST. Matrice di pixels di silicio resistente al danno da radiazione. Sistema dotato di elettronica di read-out per un totale di 441 canali.

21 Programma del progetto 1. PTR A) Telescopio al Si per la determinazione delle posizioni e degli angoli di entrata ed uscita. Piani mobili inseriti in materiale tessuto equivalente segmentato per la determinazione del cammino più probabile dei protoni nel mezzo. B) Calorimetro per la misura dell energia del protone. C) Ricostruzione del cammino più probabile del protone nel mezzo Fascio protoni Piani di materiale tessuto equivalente Calorimetro Telescopio in entrata Moduli mobili Telescopio in uscita

22 (A) Telescopio al Si - Modulo XY - 1. Rivelatore Ogni modulo è composto da due piani ciascuno con un rivelatore a microstrip di silicio e relativa elettronica di read-out. I due rivelatori siano ruotati di 90. Su ogni piano vengono implementati : il rivelatore, l elettronica VLSI di lettura delle strips ed una FPGA. Caratteristiche Rivelatore Si o singola faccia o AC coupled o Si Float Zone 4 o 6.3x6.3cm 2 o Resistività 2-6kΩcm o Spessore 300µm o Passo µm o Strip width 25µm

23 2. Elettronica di read-out Si compone di : pre-amplificatore, formatore, comparatore. Carica rilasciata dal protone integrata e filtrata - segnale di tensione comparato con soglia pari ad almeno 6 volte la sigma del rumore: il tutto da un unico VLSI. Uscita di ogni comparatore collegata direttamente ad un ingresso FPGA. La FPGA connessa al primo rivelatore genera un segnale di trigger per tutte le altre FPGA e per la scheda DAQ del calorimetro. Tecnologia utilizzata: CMOS AMS 0.35µm. sensibilità read-out analogico 1V/MeV; tempo di formazione: 300ns; formatore del tipo RC-CR2; rumore previsto e (1keV = 1mV); sensibilità circa 5mV; soglia comparatore 6-10 volte il rumore. Schema di principio del VLSI

24 - YAP (Ce) molto promettente per risposta, densità e resa luminosa; non ci sono in bibliografia dati di misure con protoni. (B) Calorimetro 1. Scelta del materiale Abbiamo testato il CsI(Tl ) a LLUMC con ottimi risultati di risoluzione, ma a basso rate. Per un utilizzo ad alto rate questo materiale non va bene per via della costante di tempo di decadimento della componente lenta di luce. Il CsI non dopato in alternativa non ha la componente lenta di luce quindi ci permetterebbe di raggiungere un rate di 10 6 p/s. stopping power YAP(Ce) p 240MeV Proponiamo confronto diretto CsI vs. YAP con test beam di protoni a LLUMC.

25 2. Dosimetro 2D Fig.6 Visione f rontale della matrice di diodi per v erif iche di dose pre-trattamento (sinistra) Dettaglio di un angolo della matrice con isole per contatti, guard ring e routing strips (destra). Il layout del rivelatore è stato progettato per un modulo di 6x6cm2, il processo del rivelatore sarà completato nell estate 2005 presso ITC-IRST in Trento, su wafer 4 di silicio epitassiale tipo p. Il materiale e la geometria della cella pixel sono state ottimizzate studiando la sensibilità e la resistenza alla radiazione di diodi a singolo pad prodotti con silicio cresciuto con diverse tecniche ( Czochralski, Float Zone, epitassiale) di diverso spessore, area attiva e provvisti di varie strutture a guard ring.

26 Estensione del dosimetro bidimensionale su area 18x18cm 2. Nove moduli assemblati su un piano. Elettronica di read-out basata su chip Wellhofer TERA 06 per un sistema di complessivi 4000 canali. Estensione su larga scala non prevista all interno di MAESTRO. Hybrid circuit

27 Programma I anno Acquisizione dei rivelatori di silicio e loro caratterizzazione elettrica Sessione di misura presso il Loma Linda University Medical Center utilizzando il sistema di proton imaging già esistente per il test sul percorso più probabile del protone nel fantoccio e relativa validazione delle simulazioni. Test presso Loma Linda University Medical Center per confronto calorimetro YAP e Cesio non dopato con un elettronica standard Produzione elettronica di lettura moduli strip del PTR; sviluppo di un primo prototipo di calorimetro; simulazione: valutazione di una proiezione di distribuzione di perdita di energia per un fantoccio non omogeneo.

28 Programma II anno Produzione e calibrazione di modulo strip completo PTR Test a Loma Linda con fantoccio disomogeneo e simulazione: ricostruzione dell immagine, del percorso più probabile e stima dose. Sviluppo elettronica di read-out per sistema di 9 moduli macropixels (20x20cm2) per IMRT

29 Programma III anno Meccanica ed assemblaggio prototipo Caratterizzazione dei sistemi con protoni a Catania e IMRT a Firenze Prove preliminari del sistema PTR sotto fascio di protoni (e.g. PSI)

30 Risorse Umane Firenze ricercatori 6fte + tecnici 0.5fte Catania ricercatori 6.4 fte LNS 2.75 fte

31 Richiesta Finanziaria su 3 anni Sezione di Firenze 117 keur Sezione di Catania 93 keur LNS 85 keur